II SEMINARIO-TALLER. PROTECCIÓN DE
ACUÍFEROS FRENTE A LA CONTAMINACIÓN: CARACTERIZACIÓN Y
EVALUACIÓN.
Ciudad de La Habana, Cuba. Abril 2002
CARACTERIZACIÓN DE LA CARGA CONTAMINANTE AL SUBSUELO Y
CARTOGRAFÍA
DE ÁREAS CRÍTICAS CON EL APOYO DE MÉTODOS GEOFÍSICOS.
Por: Rosa María Valcarce Ortega
Willy Rodríguez Miranda
Instituto Superior
Politécnico “José Antonio Echeverría”.
Ciudad de La Habana, Cuba.
(Cuba)
RESUMEN
Se destaca la importancia de las aguas subterráneas
como fuente principal de abasto en muchos países del mundo y
se reflexiona sobre la necesidad del desarrollo de métodos y
metodologías de investigación que permitan la mejor
exploración, explotación y protección de los acuíferos.
Se pesentan datos que ilustran la importancia del agua
subterránea en la región latinoamericana y caribeña. Se
presentan equipos de medición y registros geofísicos de
pozo recientemente desarrollados en la industria del agua y
se muestran ejemplos de aplicación de los mismos a nivel
mundial. Se muestran ejemplos de aplicación de los registros
de inducción electromagnética, medidores de flujo de alta
resolución, registros de televisión, registros de
televisión acústico y radar de pozo recientemente
introducidos en los trabajos de exploración y explotación
de las aguas subterráneas. Se presentan características de
las estaciones de registros geofísicos de pozo portátiles
desarrolladas en la última década.
ABSTRACT
This work highlights the importance of the
groundwater as main source of supply in many countries of the
world. It is shown the necessity of the development of
methods and investigation methodologies that allow the best
exploration, exploitation and protection of the aquifers.
Mensuration equipments and geophysical registrations of well
are presented recently developed in the industry of the water
and application examples are shown. Data are presented that
illustrate the importance of the groundwater in the Latin
American and Caribbean region. In this article are shown
examples of application of the elctromagnetic induction log,
flowmeter of high resolution, television log, acoustic
television log and well radar log, introduced in the
groundwater research recently. It is presented characteristic
of the stations of portable geophysical registrations of well
developed in the last decade.
INTRODUCCIÓN
Un costo de producción relativamente bajo y
normalmente excelente calidad de las aguas subterráneas, son
razones suficientes para justificar su explotación para el
suministro de agua potable, y para que en muchos países del
mundo constituyan la única o principal fuente de
abastecimiento.
En la Ciudad de México, el 94% del total de abasto
de agua proviene de fuentes subterráneas. El agua que
abastece a la ciudad de Lima proviene de más de 320 pozos en
explotación. El agua subterránea es la principal fuente de
abasto en San José de Costa Rica, Ciudad de Guatemala,
Georgetown (Guyana). Igual ocurre en la mayoría de las islas
del Caribe, por ejemplo; Barbados depende totalmente de
fuentes subterráneas para su abasto de agua. En Cuba, las
aguas subterráneas aportan el 74% del volumen total del agua
que se consume.
Sin embargo, hay que señalar, que la protección de
las aguas subterráneas aún no ha recibido la debida
atención. Tal vez ello sea porque la migración de
contaminantes desde la superficie, provocados por la
actividad agrícola, pecuaria, industrial y doméstica del
hombre, en general es un proceso muy lento, que puede demorar
incluso décadas antes que el impacto de los contaminantes se
haga notorio en los pozos de abasto. Sin embargo, esta
actitud relativamente pasiva que hoy se observa ante los
riesgos de contaminación de acuíferos, conspira contra el
desarrollo sostenible de los recursos hídricos
subterráneos. Una administración ambientalmente segura de
estos recursos exige la protección de los mismos, pues ha
quedado demostrado que la contaminación de los acuíferos es
prácticamente irreversible. Todo lo anterior explica la
necesidad del desarrollo continuo de métodos y metodologías
de investigación que permitan la más completa
caracterización de los acuíferos. En este sentido, los
métodos geofísicos de pozo representan una muy eficiente
herramienta de investigación.
Desde hace más de 60 años, los registros
geofísicos de pozo han sido aplicados exitosamente en las
investigaciones gaso-petrolíferas y desde hace algunas
décadas también se utilizan en la exploración de las aguas
subterráneas, aunque con un nivel de desarrollo inferior al
alcanzado en la industria del petróleo.
Temples y Waddell (1996), refieren que Jones y
Skibitszke presentaron por primera vez, en 1956, aplicaciones
de los registros geofísicos de pozo al estudio de las aguas
subterráneas.
En la actualidad, los registros geofísicos de pozo
comúnmente empleados a nivel mundial para acometer
investigaciones en el campo de los recursos hídricos
subterráneos son: potencial espontáneo, resistividad
eléctrica, intensidad gamma natural, (integral y espectral),
gamma gamma densidad, neutrón, acústico, cavernometría,
temperatura y flujometría (flowmeters). La interpretación
de estos registros permite: caracterizar las unidades
hidrogeológicas, la dinámica y calidad de las aguas
subterráneas, las propiedades colectoras de los acuíferos y
la evaluación del estado técnico de los pozos.
Los avances recientes en métodos y equipamiento de
la Geofísica de Pozo, han incrementado notablemente las
posibilidades de obtener información que garantice la
adecuada toma de decisiones en todas las etapas de las
investigaciones hidrogeológicas.
Los registros de inducción electromagnética
hace muchos años que desplazaron a los registros de
resistividad normal en la industria del petróleo.
Actualmente han sido diseñadas sondas de inducción
electromagnética específicamente para pozos de pequeño
diámetro, que pueden ser utilizadas en pozos
hidrogeológicos llenos de agua, lodo o aire, incluso a
través de camisas de PVC. Los factores que más afectan la
respuesta de estos registros son la concentración de
sólidos disueltos en el agua subterránea y la presencia de
arcillas en el acuífero. Los registros de inducción
electromagnética en general son medidos simultáneamente con
registros de intensidad gamma natural, para identificar las
litologías y la presencia de zonas eléctricamente
conductoras que pueden estar asociadas a la presencia de
contaminantes en el agua subterránea, tales como intrusión
de agua salada o lixiviados de rellenos sanitarios.
Los flujómetros o medidores de flujo de alta
resolución (flowmeters, también conocidos como gastómetros),
han sido desarrollados para medir flujo vertical del agua
subterránea en pozos pero con magnitudes extremadamente
bajas, de aproximadamente 0.03 m/min. Los flowmeters
convencionales solo son capaces de medir flujos verticales
con velocidades mayores o iguales a 2 m/min. Los flowmeters
actualmente desarrollados y ya introducidos en la industria
del agua pueden medir el flujo de agua en el pozo bajo
condiciones naturales y de bombeo, permiten obtener perfiles
de transmisividad y conductividad hidráulica del acuífero
continuamente en profundidad, calcular el gasto de agua en
cada capa, identificar zonas de entrada y salida de agua al
pozo, así como la posición de las capas no transmisivas.
El registro de televisión permite
inspeccionar el estado técnico del pozo, ver directamente la
textura litológica, el tamaño y color de los granos de la
roca, el nivel del agua en el pozo. Estos registros pueden
obtenerse en pozos llenos de agua o de aire. El registro de
televisión recientemente desarrollado brinda una imagen
magnéticamente orientada, continua, de 360 grados de la
pared del pozo, que se puede proyectar sobre una superficie
plana. La imagen puede ser mostrada en tiempo real y resulta
el método ideal para el estudio de acuíferos fracturados.
La figura 1 ilustra un registro de televisión digital donde
se aprecia claramente una fractura a 29.4 metros de
profundidad en el contacto entre pegmatita y gneiss.
El registro de televisor acústico brinda una
imagen de la reflexión de la onda acústica en la pared del
pozo, magnéticamente orientada, de 360 grados, proyectada
sobre una superficie plana. Estos registros desde hace muchos
años son usados en la industria del petróleo y
recientemente han sido introducidos en la industria del agua,
donde sus aplicaciones son cada vez mayores. Este registro
brinda el tiempo de tránsito y amplitud de la onda acústica
reflejada en la pared del pozo. Puede ser obtenido en pozos
llenos de agua o lodo.
El radar de pozo es un registro que permite
detectar zonas fracturadas distantes 30 metros o más de la
pared del pozo, en medios geológicos formados por rocas con
alta resistividad eléctrica. Las mediciones pueden
realizarce desde un mismo pozo (transmisor y receptor en un
mismo pozo) o puede hacerse tomografía entre pozos
(transmisor y receptor en pozos separados). Las mediciones en
un mismo pozo permiten la localización y orientación de las
fracturas. La tomografía puede mapear las zonas fracturadas
entre pozos. Esta información es muy importante en el
estudio de acuíferos cársicos y fracturados, así como en
el estudio de transporte de contaminantes.
La figura 2 muestra un ejemplo de registro de
televisor acústico y cavernometría donde se aprecia
claramente la presencia de fracturas a 29.4 metros, 31 metros
y 31.5 metros de profundidad.
Figura 1:
Ejemplo de registro de televisión digital.
( http://wwwdnyalb.er.usgs.gov/projects/bgag/bhole.imaging2.html
)
Figura 2: Ejemplo de
registro de televisor acústico y cavernometría.
( http://wwwdnyalb.er.usgs.gov/projects/bgag/bhole.imaging1.html
)
En la ultima década se han desarrollado estaciones
de registros geofísicos de pozo portátiles,
específicamente diseñadas para investigaciones
hidrogeológicas. Estas estaciones tienen acopladas una
microcomputadora con software de menú selectivo para
controlar la adquisición de los datos, la representación y
análisis de los registros digitales. Se trata de una nueva
generación de poderosas unidades portátiles de registro por
línea alámbrica de alta velocidad, que pueden tener peso
inferior a los 3 kg y tamaño menor que el de una PC notebook
promedio (28.4 cm x 24 cm x 5.6 cm), capaces de superar a la
mayoría de los grandes sistemas de registro geofísico
montados en camiones. En general, estas estaciones
portátiles poseen tarjetas que les permite la conexión con
cualquier PC o Centros de Calculo y enviar a gran velocidad
los datos medidos, para su procesamiento con software de
interpretación aun más potentes o para el desarrollo de la
interpretación regional. Estas estaciones de registro
portátiles, que incluyen guinche, sondas y software de
presentación y procesamiento de registros, pueden realizar
mediciones hasta profundidades que superan los 3000 metros.
Paralelamente, también se han desarrollado sondas
digitales de ultima generación, perfectamente calibradas que
pueden tener diámetros tan pequeños como 3 cm, diseñadas
para soportar presiones de 33 MPa y temperaturas de hasta
1250 C. La mayoría de estas sondas incluyen múltiples
sensores, por lo que pueden realizar hasta 6 mediciones
simultáneas de diferentes registros, con intervalos de
muestreo de 1 cm, lo que incrementa significativamente la
eficiencia de la operación de registro.
Los sistemas de registro digitalizan la información
en la sonda, en el mismo momento de la medición, luego la
información es transmitida, procesada y registrada en
formato digital.
Estas estaciones de registro poseen una importante
biblioteca de programas para las operaciones de campo, que
incluyen control de sondas, correcciones ambientales,
calibración de sondas, adquisición de los datos, control de
profundidad. Contienen además un potente software para la
presentación e interpretación de los registros, que incluye
la opción “quick look” para el rápido
procesamiento de campo, así como la impresión de la
información en distintos formatos para brindar al cliente la
mejor presentación del informe final. En general estos
son software compatibles con Windows 95, que utilizan en gran
medida gráficos de pantalla y ayuda en línea para asistir a
operadores menos experimentados.
EJEMPLO DE CASOS
Como ya ha sido señalado, cada vez más se
incorporan a las investigaciones hidrogeológicas, registros
geofísicos de pozo que hace unos años solo se aplicaban en
las investigaciones de yacimientos de petróleo y gas. Morin,
et. al., (2000) reportan la aplicación de registros de
temperatura, televisor acústico, resistivimetría y
flowmeters para estudiar la dinámica del agua subterránea
en el pozo y cuantificar la transmisvidad del acuífero, y el
uso de registros de resistividad electrica y gamma natural
para obtener informacion litologica precisa de una cuenca
localizada al SE de Pensilvania, que representa un importante
acuífero regional formado por secuencias de arcillas,
silicitas y areniscas, intensamente fracturadas. Fueron
estudiados siete pozos, seis con profundidades promedio de
120 metros y uno con profundidad que alcanzó los 335 metros.
En esta investigación, los registros de televisión
acústico suministraron imágenes de las paredes de los pozos
a partir de las cuales fueron identificadas más de 900
fracturas. Además, fue posible definir la extensión
vertical del acuífero al no detectarse movimiento del agua
subterránea por debajo de los 190 metros de profundidad.
La literatura también reporta las ventajas que
desde el punto de vista económico representa la
introducción de los registros geofísicos de pozo en las
investigaciones hidrogeológicas. Temples y Waddell (1996)
demuestran que el uso de los registros geofísicos de pozo en
investigaciones hidrogeológicas en una cuenca de Carolina
del Sur, permitieron un ahorro de 243 000 USD. En esta zona
se perforó un pozo que alcanzó 1226.5 metros de profundidad
para evaluar las posibilidades acuíferas de sedimentos del
Cretásico. Se midieron registros geofísicos de pozo
usualmente aplicados en las investigaciones
gaso-petrolíferas: potencial espontaneo, inducción dual,
neutrón compensado, gamma-gamma densidad, gamma natural,
acústico multipolo, caliper, dipmeter de alta resolución e
imagen del pozo circunsferencial.
Fueron extraídos 209 núcleos y se tomaron 12
muestras de agua con el multi-probador de formación. Los
datos fueron procesados con un software que permitió
evaluar: porosidad, conductividad hidráulica, transmisividad
y litología del corte geológico. Fue posible identificar
los intervalos acuíferos y seleccionar las zonas donde
colocar los filtros para proceder a la explotación de las
aguas subterráneas, sin gastos adicionales por concepto de
extracción de núcleos y pruebas hidráulicas
convencionales. El artículo referido reporta tablas
que reflejan la gran coincidencia entre los valores de
porosidad determinados en el laboratorio y obtenidos a partir
de la interpretación de los registros de porosidad (neutrón
y gamma-gamma densidad). Se reporta también una relación
empírica entre porosidad (f) y permeabilidad (k) para este
acuífero, del tipo:
K = 30.713 * (10)0.61797f
con un coeficiente de correlación r = 0.93.
Para reducir la dispersión provocada por la presencia de
arcillas, en este análisis fueron tomados los valores de K y
f determinados en núcleos de arenas limpias. De esta
manera fue posible evaluar la permeabilidad en la zona de
interés a partir de datos de porosidad de registros. Una vez
obtenida la permeabilidad fue posible evaluar la
conductividad hidráulica de cada intervalo.
Combinando información de los registros de densidad
y acústico, estos investigadores calculan el coeficiente de
almacenamiento del acuífero, otro parámetro de gran
importancia en investigaciones hidrogeológicas, y que su
determinación por pruebas convencionales exige la existencia
de un pozo de bombeo y un pozo satélite de observación.
También los registros de temperatura han demostrado
su poder resolutivo en estudios de contaminación de
acuíferos. Los trabajos de Malard y Chapuis (1995), destacan
el uso de registros de temperatura para estudiar el
movimiento de contaminantes infiltrándose en calizas
fracturadas en una cuenca ubicada al SE de Francia. A partir
de perfiles de temperatura medidos en 4 pozos con profundidad
promedio de 60 metros, medidos entre febrero del 1992 y junio
del 1993, estos autores examinaron la variabilidad temporal y
la distribución espacial de la temperatura del agua
subterránea bajo la influencia de la infiltración de aguas
residuales.
Los resultados fueron comparados con resultados de
investigaciones físico – químicas y bacteriológicas
desarrolladas simultáneamente en el área. El pozo que
mostró las mayores fluctuaciones en las anomalías térmicas
presentó también la menor estabilidad físico –
química y bacteriológica y las mayores concentraciones de
contaminantes en el agua subterránea. El resto de los pozos
atravesaron rocas con menor grado de fracturamiento, menos
sensibles a la contaminación y por tanto, con mayor
estabilidad físico – química y bacteriológica, y
menor concentración de contaminantes en el agua
subterránea, lo cual se correspondió con pequeñas
anomalías de temperatura. A partir de estos resultados,
Malard y Chapuis (1995) sugieren el uso de registros de
temperatura en el desarrollo de programas de monitoreo de la
calidad de las aguas subterráneas.
Paillet (1998) presenta un modelo para la
interpretación del flowmeter de alta resolución en
acuíferos fracturados, medidos bajo condiciones de flujo
natural y bajo condiciones de bombeo. Aunque se hace
énfasis en la estimación de la transmisividad y del
coeficiente de almacenamiento de las zonas fracturadas, la
metodología también resulta muy útil para identificar
cuáles fracturas conducen el agua subterránea y cuáles no
están interconectadas con el medio geológico en los
alrededores del pozo. Esta información es especialmente
importante en estudios de migración de contaminantes.
También Paillet (2001) demuestra que la interpretación de
registros de flowmeter de alta resolución, no solo permite
obtener un perfil de transmisividad de las zonas productoras
de agua a lo largo del pozo sino también inferir las
propiedades de los acuíferos en zonas alejadas de los pozos.
Valcarce, et al. (1999, 2000), a partir de la
interpretación de registros geofísicos de pozo de
cavernometría, intensidad gamma natural, resistividad
eléctrica con sondas convencionales, intensidad neutrón,
resistivimetría y resitivimetría con salinización, logra
definir el modelo hidrogeofísico del acuífero cársico
Cuenca Sur de La Habana, y logra identificar los diferentes
tipos de colectores y evaluar cualitativamente la
permeabilidad de los mismos en el acuífero cársico de la
Cuenca Septentrional de Matanzas, Cuba. Al definir el modelo
hidrogeofísico de la Cuenca Sur de La Habana, clasifica las
diferentes litologías presentes, identifica y delimita la
presencia de la intrusión salina y establece la existencia
de dependencias estadísticas entre parámetros geofísicos
de pozo y parámetros hidrodinámicos determinados por
pruebas de bombeo.
CONCLUSIONES
La explotación ambientalmente segura de los
recursos hídricos subterráneos es condición imprescindible
para el desarrollo sostenible de la sociedad. En este sentido
se ha destacado el nivel alcanzado por los métodos
geofísicos de pozo como respuesta a la necesidad del
desarrollo continuo de técnicas que brinden mayor
información sobre las propiedades de los acuíferos y la
calidad de las aguas subterráneas.
En este reporte se ha hecho énfasis en el uso de
registros geofísicos de pozo que hasta hace unos años eran
solo aplicados en la industria del petróleo y que hoy se han
incorporado al complejo de métodos de investigaciones
hidrogeológicas. Se ha destacado el desarrollo de sondas
digitales de pequeños diámetros, que pueden soportar altas
presiones y temperaturas, y que poseen múltiples sensores
para incrementar la eficiencia de la operación de registro.
También se ha hecho referencia al desarrollo de estaciones
de registros geofísicos de pozo portátiles,
específicamente diseñadas para investigaciones
hidrogeológicas. Finalmente se han resumido ejemplos
de aplicación de estas técnicas para la solución de
problemas hidrogeológicos a nivel mundial en los últimos
años.
En nuestro país, así como en la mayoría de los
países de Latinoamérica y el Caribe, dependientes de los
recursos hídricos subterráneos como fuente principal de
abasto, y donde muchos acuíferos se han desarrollado en
rocas cársicas carbonatadas, con extremadamente alta
heterogeneidad en sus propiedades hidrogeológicas e
hidrodinámicas, resulta de gran importancia asimilar estas
tecnologías. Sin dudas, ello contribuiría a la mejor
gestión de este recurso vital.
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